تطبيق البطاريات في أنظمة الطاقة الكهربائية EV / PHEV

الغرض من تطبيق البطاريات في أنظمة الطاقة الكهربائية EV / PHEV

يعتبر تخزين الطاقة ضروري لتحقيق التوازن بين التوليد والحمل الكهربائي، ومع انتشار مصادر الطاقة المتجددة (RES) في جميع أنحاء العالم؛ تزداد الحاجة إلى التخزين بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة، وعلى الرغم من موطئ قدم السوق المتزايد للسيارات الكهربائية (EVs) والمركبات الكهربائية الهجينة (PHEVs) في السنوات الأخيرة، لا يزال السعر هو العقبة الأكثر أهمية أمام تعميم السيارات الكهربائية.

كما يعد خفض التكاليف أمراً ضرورياً للحصول على جدوى تجارية طويلة الأجل، ومن ناحية أخرى يصبح التخلص من البطارية منتهية الصلاحية (EOL) مشكلة ناشئة، بحيث يوفر تغيير الغرض من بطارية (EV / PHEV) المتوقفة طريقة محتملة لتقليل عائق التكلفة مع التخفيف من المخاوف البيئية بشأن التخلص من بطارية موسوعة الحياة.

وفي أنظمة الطاقة؛ فإنه يمكن بناء أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESS) من بطاريات موسوعة الحياة وتقديم الخدمات، بحيث يرجع ذلك إلى حقيقة أن بطاريات موسوعة الحياة لا تزال قادرة على تلبية متطلبات خدمات الشبكة الأقل تطلباً، كما يعتبر بناء (BESS) مع بطاريات (EV / PHEV) ذات العمر الافتراضي الثاني أمراً جذاباً بشكل خاص لأن زيادة سعة (RES) في أنظمة الطاقة تتطلب المزيد من احتياطيات الغزل.

وبالنسبة لمراجعة الدراسات؛ فقد تمت دراسة الجوانب الاقتصادية والتقنية لبطارية (EOL EV / PHEV) وتطبيقاتها ذات العمر الثاني على مدار العقدين الماضيين، ومن بين الدراسات الموجودة، تتم مناقشة الفوائد الاقتصادية المحتملة ونماذج الأعمال لتطبيقات بطاريات ما بعد السيارة على نطاق واسع.

أما بالنسبة الى المساهمة التي يضيفها هذا العمل، وخاصةً في هذه الدراسة؛ فقد تم اقتراح إطار تقييم شامل لتطبيق العمر الثاني لبطاريات (EV / PHEV) في أنظمة الطاقة الكهربائية، وفي هذا الإطار يتم أخذ الأجزاء الثلاثة في الشكل السابق بعين الاعتبار ونمذجتها، كما يجيب على سؤال حول كيف يمكن أن يؤثر تدهور البطارية وتقاعدها في السيارة على تطبيق (BESS) للعمر الثاني وبالتالي يترجم إلى وفورات في التكاليف على جانب توليد الطاقة.

كما ويتم تنظيم هذه الدراسة هي على النحو التالي، بحيث تم تقديم نموذج مبسط لقياس تدهور أداء البطارية في القسم الثاني (المقابل للجزء 1 في الشكل 1)، ويكون متبوعاً بنماذج التقاعد لحزم بطاريات (EV) و (PHEV)، وبناءً على هذه النماذج؛ فإنه يمكن تحديد حالة حزم البطاريات عند بدء تطبيق العمر الثاني لها، كما تم اقتراح استراتيجية تشغيل (BESS)، بحيث ثم يتم صياغة مشكلة الإرسال الاقتصادي (ED).

نمذجة تدهور أداء البطارية

بالنظر إلى عدد لا يحصى من أنواع الكاثودات والإلكتروليتات ومتطلبات تعقيدات النموذج؛ فإنه لا يوجد حالياً نموذج تحلل رئيسي واحد لبطاريات الليثيوم، ومع ذلك؛ فإنه يمكن استخلاص أنماط التدهور العامة بافتراضات التبسيط، وفي هذا البحث تم تعميم نموذج مبسط لتدهور أداء البطارية.

تلاشي القدرة: كشفت الاختبارات الميدانية وأعمال البحث أن تلاشي سعة الطاقة للبطاريات الحديثة يعتمد بشدة على عدد الدورات ، وعمق التفريغ (DoD) ومعدل (C) ودرجة الحرارة المحيطة، ومن بين هذه المتغيرات، غالباً ما يُنظر إلى درجة الحرارة على أنها حالة معينة يتم بموجبها إجراء اختبارات دورة الحياة ، وبالنسبة لبطاريات (EV / PHEV)، يتم أيضاً توفير ملفات تعريف معدل (C) النموذجية التي تعكس أنماط القيادة، وبالتالي يمكن تبسيط سعة الطاقة المتبقية للبطاريات في القيمة لكل وحدة.

ونظراً لأن عدد الدورات يتراكم بشكل رتيب ويعمل كنوع من “الطابع الزمني” في عمر البطاريات، وفي الجزء المتبقي من هذه الدراسة؛ فإنه يتم تمثيل الحرف “n” بخط مرتفع بدلاً من ذلك، وبمعنى آخر تصبح العلاقة:

وبدون فقدان التعميم؛ فإنه يتم حجز الأحرف الفوقية في هذه الدراسة للمتغيرات الكرونولوجية مثل رقم الدورة (n) والساعة (t) وعدد الأيام (n)، كما أنه يتم تحديد اتجاه التدهور العام وظروف الحدود بواسطة العلاقات الرياضية التالية، وذلك عندما تكون درجة الحرارة المحيطة حوالي (35) درجة مئوية.

اضمحلال الكفاءة: يمكن ملاحظة العلاقات الخطية التقريبية بين الخسارة الداخلية ورقم الدورة وبين الخسارة الداخلية، وأيضاً يزيد ميل العلاقة الخطية بين الخسارة الداخلية ورقم الدورة مع (DoD)، ونظراً لأن الدوائر الخارجية تتمتع بمقاومة أكبر بكثير من الدوائر الداخلية؛ فمن المفترض أن النسبة المئوية للزيادة في الخسارة الداخلية تعادل النسبة المئوية لانحلال الكفاءة.

كما يتم إعطاء وظيفة الكفاءة من خلال:

وبالتالي:

وكذلك؛ فإن (α1 α3) و (β1 3) هي ثوابت محددة، كما يجب أن تكون (α1 / α3) مساوية لـ [(3−100٪) / 2]، وذلك باستخدام العلاقات السابقة، بحيث يمكن تحقيق اتجاه تناقص الكفاءة أعلاه، وهنا تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من استخدام نموذج تدهور معمم لبطاريات الليثيوم أيون في هذه الدراسة؛ إلا أن الاطار المقترح يمكن أن يتبنى أي نموذج تدهور عن طريق استبدال، لذلك إذا كان نوع البطارية أو متطلبات تغيير تعقيد النموذج.

أوضاع انتهاء صلاحية البطارية في EV / PHEV

تعتمد حالة البطارية موسعة الحياة بشكل كبير على نمط الاستخدام ومدة الخدمة في تطبيق السيارة، ومع ذلك، وفي الوقت الحالي ليس من المؤكد في أي مرحلة يتم سحب بطاريات (EV / PHEV) وإعادة استخدامها، وفي هذه الدراسة؛ فقد تم النظر في وضعين لتقاعد المركبات – الوضع الاسمي والواقعي، وذلك جنباً إلى جنب مع أنواع المركبات.

كذلك وضع انتهاء الصلاحية الاسمي (EOL) لحزمة بطارية (PHEV)، بحيث يتم تعريف (EOL) الفنية بواسطة اتحادات مثل (USABC)، وعلى سبيل المثال؛ فإنه من الضروري أن تستمر حزمة بطارية (PHEV) لمدة (5000) دورة في وضع استنفاد الشحن (CD) و (300000) دورة في وضع الحفاظ على الشحن (CS)، وعندئذ تكون حالة البطارية الأولية لتطبيق العمر الثاني لها هي حالة موسوعة الحياة في (PHEV).

تقييم توفير التكاليف للتخفيف من خطأ التنبؤ BESS

يمكن استخدام البطارية للعديد من التطبيقات في أنظمة الطاقة، وذلك بدءاً من خدمة التنظيم لموازنة الحمل الكهربائي، من بينها التطبيقات التي تتطلب شحناً وتفريغاً متكرراً، وذلك مثل خدمة التنظيم يمكن أن تتسبب في تقليل عمر البطارية الثاني بسرعة لأن حزم البطاريات المعاد تدويرها قد تكون بالفعل في ظروف غير صحية، إضافة الى التطبيقات ذات المدة الطويلة والتفريغ الكبير للطاقة، مثل الحلاقة أثناء الذروة غير مقبولة أيضًا لأن (DoDs) العميقة يمكن أن تتسبب أيضاً في تدهور البطارية بشكل خطير.

وبالنسبة للبطارية ذات العمر الثاني؛ فإن هناك تطبيقان رئيسيان هما الاستجابة للطلب السكني والتكامل المتجدد لتنعيم الطاقة، وذلك مع تصاعد تغلغل طاقة الرياح في الوقت الحاضر، بحيث يمكن أن تؤثر الأخطاء التي لا مفر منها بسبب توقعات طاقة الرياح وتوقعات الحمل بشكل كبير على تشغيل النظام، كما يمكن لـ (BESS) للعمر الثاني أن يخفف من آثار مثل هذه الأخطاء مع الحفاظ على أداء البطارية عن طريق الاختيار المناسب لنافذة الوقت وسعة الطاقة للتشغيل.